۱۶ آگوست ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: روپندرا براهامبات -تصویر مفهومی از سیم‌های کوانتومی.f L/Getty Images
تصور کنید که یک سیم گیتار را می‌نوازید. می‌لرزد، صدا ماندگار می‌شود و سپس با تخلیه انرژی در هوا، محو می‌شود. حالا این صحنه را به مقیاس یک اتم بیاورید. آیا یک اتم می‌تواند به همین ترتیب بلرزد و به تدریج انرژی خود را به محیط اطرافش از دست بدهد؟
تقریباً صد سال، فیزیکدانان گمان می‌کردند که پاسخ مثبت است، اما نمی‌توانستند آن را بدون نقض اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، یکی از قوانین اصلی مکانیک کوانتومی، به درستی توصیف کنند. این اصل تضمین می‌کند که طبیعت همیشه برخی اسرار را حفظ می‌کند.
به عنوان مثال، وقتی موقعیت یک ذره را دقیق‌تر اندازه‌گیری می‌کنید، تکانه آن بیشتر از دسترس خارج می‌شود. متعادل کردن این عدم قطعیت در حالی که سعی در توضیح چگونگی از دست دادن انرژی توسط یک سیستم کوانتومی دارید، یک کابوس ریاضی بوده است.
این مسئله برای دهه‌ها نظریه‌پردازان را شکست داده است و حل آن می‌تواند نحوه اندازه‌گیری و دستکاری ماده توسط دانشمندان را در کوچکترین مقیاس‌ها تغییر دهد. با این حال، یک مطالعه جدید اولین راه‌حل دقیق را برای یک نوسانگر هارمونیک کوانتومی میرا، سیستمی که به آرامی انرژی از دست می‌دهد، ارائه می‌دهد. این اساساً دوقلوی کوانتومی یک سیم گیتار است که به تدریج آرام می‌شود.
رسیدن به یک راه‌حل کوانتومی تقریباً غیرممکن
داستان سیستم‌های هارمونیک میرا به سال ۱۹۰۰ برمی‌گردد، زمانی که هوراس لمب، فیزیکدان بریتانیایی، یک مدل ریاضی ساده از یک ذره در حال ارتعاش در داخل یک جامد ساخت. در این مدل، حرکت ذره امواجی را در جامد ایجاد می‌کند.
آن امواج به عقب رانده می‌شوند و ذره به آرامی انرژی از دست می‌دهد. این روش در فیزیک کلاسیک به زیبایی جواب داد. با این حال، وقتی دانشمندان بعدی سعی کردند ایده لمب را با دنیای کوانتومی تطبیق دهند، همه چیز از هم پاشید.
نام دین، نویسنده همکار مطالعه و دانشجوی فیزیک کوانتومی در دانشگاه ورمونت، گفت: «در فیزیک کلاسیک، می‌دانیم که وقتی اجسام ارتعاش می‌کنند یا نوسان می‌کنند، به دلیل اصطکاک، مقاومت هوا و غیره انرژی از دست می‌دهند. اما این موضوع در رژیم کوانتومی چندان آشکار نیست.»
این مدل‌ها نمی‌توانستند اصل عدم قطعیت را دست نخورده نگه دارند. توصیف دقیق میرایی به معنای اجازه دادن تصادفی به دقت ممنوع در موقعیت یا تکانه بود. نویسندگان مطالعه به طور متفاوتی به این مسئله نزدیک شدند. به جای تمرکز فقط بر اتم مرتعش، آنها رابطه کامل آن را با تمام اتم‌های دیگر در ماده در نظر گرفتند.
این موضوع، سوال را به چیزی تبدیل کرد که فیزیکدانان آن را یک مسئله چند جسمی می‌نامند، که در آن باید تعاملات بی‌شماری را به طور همزمان در نظر گرفت. برای درک این موضوع، تیم از یک ابزار ریاضی قدرتمند به نام تبدیل بوگولیوبوف چندحالته استفاده کرد، تکنیکی که معادلات سیستم را به گونه‌ای بازنویسی می‌کند که الگوهای پنهان قابل مشاهده و مسئله قابل حل باشد.
آنچه آنها دریافتند این است که اتم در نوع خاصی از حالت کوانتومی به نام خلاء فشرده چندحالته قرار می‌گیرد. در این حالت، نویز کوانتومی تصادفی در یک ویژگی (مثلاً موقعیت اتم) می‌تواند به زیر حد نرمال کاهش یابد، اما تنها با اجازه دادن به عدم قطعیت بیشتر در ویژگی دیگر (تکانه).
این بده بستان دقیق، اصل عدم قطعیت را حفظ کرد و در عین حال نحوه نشت انرژی از سیستم را نیز به تصویر کشید. بنابراین، برای اولین بار، نسخه کوانتومی میرایی را می‌توان بدون نقض قوانین کوانتومی، دقیقاً توصیف کرد.
اهمیت نوسانگر هماهنگ میرا
پاسخ نوسانگر هماهنگ کوانتومی میرا ممکن است انتزاعی به نظر برسد، اما پیامدهای آن بسیار گسترده است. یکی از نتایج مستقیم این کار، امکان اندازه‌گیری موقعیت در مقیاس‌های کوچکتر از حد کوانتومی استاندارد است. این مرزی است که معمولاً میزان دقت یک اندازه‌گیری را در دنیای کوانتومی تعریف می‌کند.
عبور از آن نیاز به ترفندهای هوشمندانه‌ای با حالت‌های فشرده ماده یا نور دارد. در واقع، به گفته نویسندگان این مطالعه، آشکارسازی امواج گرانشی برنده جایزه نوبل در سال ۲۰۱۷ نیز به چنین ترفندهایی برای اندازه‌گیری جابجایی‌هایی هزاران برابر کوچکتر از یک پروتون متکی بود.
راه حل مطالعه حاضر نشان می‌دهد که ترفندهای مشابه می‌توانند برای اتم‌ها در جامدات نیز کار کنند و به طور بالقوه منجر به حسگرهایی شوند که مانند کوچکترین خط‌کش‌های قابل تصور عمل می‌کنند.
با این حال، این نتایج فعلاً نظری هستند. چالش بعدی، اتصال ریاضیات با آزمایش‌ها و یافتن سیستم‌های اتمی واقعی است که در آنها بتوان این پیش‌بینی‌ها را آزمایش کرد.
این مطالعه در مجله Physical Review Research منتشر شده است.
